2.3　实验对象、相似准则和模型设计

2.3.1　实验对象

对于水利水电工程，平面事故闸门主要布置在发电引水设施（电站进水口）、泄洪设施（泄洪洞、坝身泄水孔等）两类泄水建筑物中，其中泄洪设施往往泄洪流量大，洞身或流道长度较短，一般为短压力管道型式；发电引水系统则一般属于长有压管道系统，引水流量相对较小。两种流道系统对事故闸门动水关闭的水流的惯性作用、闸后流态特征的影响各异。鉴于此，作者结合自身研究实际，选取加拿大Mica电站进水口事故闸门和小湾高拱坝泄洪底孔（以下简称“小湾底孔”）事故闸门作为本书的实验对象进行介绍，两个事故闸门在布置型式、运行水头及工程类型等方面的特点主要体现在以下几个方面。

（1）小湾底孔事故闸门的设计挡水水头高达160m，动水操作水头达106m，是目前国内运行水头最高的平面事故闸门之一；Mica电站进水口事故闸门的最大运行水头也达71.5m，初始过闸流速由电站引水流量控制，闸后流态与泄洪洞等事故闸门存在明显差异。

（2）Mica电站进水口事故闸门为上游底缘型式，采用下游面板止水、利用门顶水柱下门的方式；小湾底孔事故闸门为下游底缘型式，采用上游面板止水的方式。两个闸门底缘型式及止水布置方式各具代表性。

（3）Mica电站进水口闸门下游为长引水压力管道出口型式，小湾底孔流道为短压力管道型式。

为研究高水头闸门动水关闭的水动力特性，本书结合Mica电站进水口和小湾底孔两个典型事故闸门的水动力实验，研究了闸门动水关闭的水流流态及水动力荷载变化特性，分析了影响闸门水动力特性的水头及体型因素，也为深入研究闸门水动力特性的数值模拟分析提供了验证数据。

2.3.2　相似准则

对于水工建筑物闸门水动力模型试验，应满足闸门区水流的几何相似、运动相似和动力相似，一般主要遵循重力相似准则，即模型和原型的弗劳德数Fr相等，其表达式为

式中：u为水流流速；g为重力加速度；L为特征长度。

按照重力相似准则，其主要物理量的相似比尺换算关系如下。

流速比尺：

压力比尺：

力比尺：

时间比尺：

流量比尺：

另外，闸门水动力试验模型的雷诺数Re也要满足水力学试验相似的一般要求。

2.3.3　模型设计

在遵循重力相似准则的基础上，闸门水力模型应模拟闸室前后的有关建筑物，保证闸门过流水力条件的相似，并根据闸门尺寸、总水压力及对试验场地和设备的要求，确定合适的闸门模型比尺和截取范围，模型比尺的选择需保证闸门区紊流条件相似，且模型闸门的最小尺寸一般不宜小于20cm。

2.3.3.1　Mica电站进水口事故闸门水动力实验模型

根据闸门水动力学模型试验相似准则，考虑的模拟范围包括进水喇叭口、事故闸门及门槽、通气井及压力管道段，该试验选取的闸门及流道的模型比尺为1∶18，且模型水流的雷诺数，模型水流雷诺数Re满足水力学试验的紊流相似要求。当模型的几何比尺λl=18时，相应的流量比尺λq=1374.6，压力比尺λp=18，时间比尺λt=4.24。

事故闸门水力相似模型主要是模拟闸门过流边界轮廓，保证闸门运行过程中水流边界条件相似。模型引水压力管道段采用钢管模拟，按引水管道几何相似和总阻力相似设计，其长度按进水口至水轮机的压力钢管总长度相似进行模拟，压力管道纵向整体布置也与原型相似，并在模型出口设置阀门调节控制流量。电站进水口事故闸门及流道的整体模型布置见图2.2，其中进水口及闸门模型采用有机玻璃制作，从而方便观察闸门区水流流态。

该试验模型为获取事故闸门门体的动水压力及载荷，在事故闸门门顶、面板及底缘共布置了38个测压点，考虑到闸门底缘压力沿底缘变化不均，在闸门底缘中心线沿纵向布置了3个测点（编号为Uc9～Uc11）；在闸门门顶布置4个测点测量门顶水柱压力；沿闸门面板中心线布置28个测压点测量作用在门体上的水平推力（图2.3）。为获取闸门动水关闭过程闸后通气和补气情况，在闸后通气井内上部布置1个风速测点，测量闸门动水启闭过程中的通气风速及通气量。

2.3.3.2　小湾底孔事故链轮闸门的水动力实验模型设计

小湾电站坝身底孔及事故闸门模型按重力相似准则设计，模拟范围包括进水口、门槽、门井、通气孔、压坡段和工作弧门出口。事故链轮闸门模型采用不锈钢制作，链轮的制作要求达到闸门水平拖动时链轮既有自转又有公转、链条转动过程中不脱轨。在遵循重力相似准则基础上，为保证闸门模型的制作精度和要求，模型比尺选取为1∶15的大比尺。在模型闸门最大水头高达10m的情况下，底孔模型主体采用不锈钢制成，并在闸门区右边墙采用加厚的有机玻璃制成观测窗，以观察闸门区水流流态。电站坝身底孔及闸门模型总体布置见图2.4。

在事故闸门门体上共布置24个测压点，其中1～11号测点布置在闸门上游面板中心线上；14～22号测点布置在闸门下游面板中心线上；12号和13号测点布置在闸门底缘上；23号和24号测点布置在闸门门顶上，模型压力测点布置见图2.5。